Аэробный распад глюкозы.

Аэробный распад углеводов по ГДФ-пути - сложный, многостадийный процесс, включающий десятки промежуточных реакций, приводящих в конечном итоге к образованию углекислого газа и воды с выделением большого количества энергии. Этот процесс можно разделить на три этапа, последовательно идущих друг за другом.

Первый этап ГДФ-пути происходит в цитоплазме клеток. На этом этапе глюкоза превращаются в пировиноградную кислоту (пируват). Этот этап часто называют гликолизом.

На первой стадии глюкоза путем взаимодействия с АТФ переходит в активную форму – глюкозо-6-фосфат:

Глюкоза Глюкозо-6-фосфат

Это единственная реакция, которой подвергается в организме глюкоза. Поэтому все превращения глюкозы в организме начинаются с образования глюкозо-6-фосфата. Далее, глюкозо-6-фосфат вступает в различные пути метаболизма глюкозы (например, рассмотренный выше синтез гликогена).

На следующих стадиях глюкозо-6-фосфат изомеризуется во фруктозо-6-фосфат, который, взаимодействуя с АТФ, далее превращается во фруктозо-1,6-дифосфат. (Этим объясняется название данного пути распада углеводов – гексозодифосфатный путь, поскольку фруктоза содержит шесть атомов углерода и относится к гексозам).

Перечисленные реакции можно описать следующими уравнениями:

Глюкозо-6-фосфат Фруктозо-6-фосфат Фруктозо-1,6-дифосфат

Образовавшийся фруктозо-1,6-дифосфат расщепляется на две фосфотриозы - фосфоглицериновый альдегид и фосфодиоксиацетон, которые являются изомерами и легко переходят друг в друга:

В последующих реакциях данного этапа участвует только фосфоглицериновый альдегид, и по мере его использования в него превращается фосфодиоксиацетон:

Фосфодиоксиацетон Фосфоглицериновый альдегид

Поэтому можно считать, что из глюкозы образуется две молекулы фосфоглицеринового альдегида.

Следующая стадия – окисление фосфоглицеринового альдегида, протекающее непосредственно в цитоплазме. В ходе этой реакции от окисляемого вещества отнимаются два атом водорода и временно присоединяются к коферменту НАД. За счет выделяющейся при окислении энергии в продукт реакции включается еще один фосфатный остаток, который присоединяется макроэргической связью:

Фосфоглицериновый альдегид 1,3 - дифосфоглицерат

При невысокой скорости распада углеводов (в покое или при работе умеренной мощности) весь образовавшийся НАД·Н₂ передает атомы водорода в дыхательную цепь митохондрий, где эти атомы связываются с молекулярным кислородом и превращаются в воду. За счет выделяющейся при этом энергии осуществляется синтез АТФ. Как уже отмечалось (см. главу «4. Биологическое окисление»), перенос двух атомов водорода на кислород сопровождается синтезом трех молекул АТФ.

Таким образом, в данных условиях первый этап ГДФ – пути протекает аэробно. Поскольку из глюкозы образуется две молекулы фосфоглицеринового альдегида и, соответственно, две молекулы восстановленного НАД, то в расчете на одну молекулу глюкозы в процессе тканевого дыхания осуществляется синтез 6 молекул АТФ.

На следующей стадии фосфатный остаток, благодаря наличию макроэргической связи, легко передается на молекулу АДФ с образованием АТФ:

1,3 –дифосфоглицерат 3-фосфоглицерат

Такой способ синтеза АТФ, осуществляющийся без участия тканевого дыхания и, следовательно, без потребления кислорода, обеспеченный запасом энергии субстрата, называется анаэробным или субстратным фосфорилированием. Это самый быстрый путь получения АТФ.

На последующих стадиях образовавшийся 3-фосфоглицерат изомеризуется в 2-фосфоглицерат, от которого затем отщепляется молекула воды, что приводит к перераспределению энергии в молекуле и возникновению макроэргической связи:

3–фосфоглицерат 2-фосфоглицерат Фосфоенолпируват

Завершается первый этап ГДФ пути реакцией анаэробного фосфорилирования, в ходе которой синтезируется еще одна молекула АТФ:

Фосфоенолпируват Пируват

(Пировиноградная кислота)

Учитывая, что из одной молекулы глюкозы образуется 2 молекулы фосфоглицеринового альдегида, всего синтезируется 10 молекулы АТФ (6 – аэробно и 4 – анаэробно). При этом следует учесть, что на первых стадиях расходуется 2 молекулы АТФ на активацию глюкозы и фруктозо-6-фосфата. В итоге превращение глюкозы в пируват сопровождается синтезом 8 молекул АТФ.

Суммируя уравнения всех стадий, можно получить итоговое уравнение первого этапа:

С₆Н₁₂О₆+ О₂+ 8 АДФ + 8 Н₃РО₄2 С₃Н₄О₃+ 2Н₂О + 8АТФ

Глюкоза Пируват

Первый этап распада углеводов практически обратим. Из пирувата, а также из лактата (см. ниже) может синтезироваться глюкоза, а из неё затем гликоген.

Второй и третий этапы ГДФ-пути протекают в митохондриях с участием дыхательной цепи и поэтому обязательно требуют О₂. Эти этапы, в отличие от первого, необратимы.

В ходе второго этапа от пировиноградной кислоты отщепляется углекислый газ и два атома водорода. Отщепленные атомы водорода по дыхательной цепи передаются на кислород с выделением воды и одновременным синтезом АТФ, а образовавшаяся из пирувата уксусная кислота присоединяется макроэргической связью к коферменту А - переносчику остатков кислот.

Кофермент А содержит в своей молекуле остаток витамина В₅– пантотеновой кислоты и имеет свободную SH-группу. В сокращенном виде он обозначается - КоА-SН.

Образовавшийся комплекс уксусной кислоты и кофермента А называется ацетил-кофермент А. Уксусная кислота, связанная с коферментом А, обладает высокой химической активностью, и поэтому ацетил-кофермент А часто называют активной уксусной кислотой.

В одной из реакций этого этапа еще участвует в качестве кофермента производное витамина витамина В₁ - тиаминдифосфат.

Итоговое уравнение II этапа ГДФ-пути :

C₃H₄O₃+ 1¤2 O₂ + KoA-SH + 3 АДФ + 3 H₃PO₄¾®

Пируват Кофермент А

СH₃-C~SKoA + CO₂ + H₂O + 3 АТФ

Ацетил-КоА

На третьем этапе остаток уксусной кислоты, входящий в состав ацетил-кофермента А, подвергается дальнейшему окислению и превращается в СО₂ и Н₂О. Этот этап носит циклический характер и называется циклом трикарбоновых кислот (ЦТК) или циклом Кребса. За счет выделяющейся энергии на этом этапе также осуществляется синтез АТФ.

Цикл трикарбоновых кислот (ЦТК) - это завершающий этап катаболизма не только углеводов, но и всех остальных классов органических соединений. Это обусловлено тем, что при распаде углеводов, жиров и аминокислот образуется общий промежуточный продукт - уксусная кислота, связанная со своим переносчиком - коферментом А в форме ацетил-кофермента А

Вышесказанное можно иллюстрировать следующей схемой:

Белки Углеводы Жиры

(аминокислоты)

Ацетил-КоА

ЦТК

СО₂Н₂О

Цикл Кребса протекает в митохондриях с обязательным и потреблением кислорода и требует функционирования тканевого дыхания.

На первой стадии цикла остаток уксусной кислоты переносится с молекулы ацетил-кофермента А на молекулу щавелево-уксусной кислоты (ЩУК) с образованием лимонной кислоты:

СООН

СООН СН₂

СН₃ + СН₂ + Н₂О НО-С-СООН + KoA ~SH

С=О С=О СН₂Кофермент А

SKoA СООН СООН

Ацетил-КоА ЩУК Лимонная кислота

Лимонная кислота содержит три карбоксильные группы, т.е. является трикарбоновой кислотой, что обусловило название этого цикла.

Далее, от лимонной кислоты поочередно отщепляются две молекулы СО₂и четыре пары атомов водорода и вновь образуется ЩУК (в связи с этим рассматриваемый процесс называется циклом). Отщепленный водород по дыхательной цепи передается на молекулярный кислород с образованием воды. Перенос каждой пары атомов водорода на кислород сопровождается синтезом трех молекул АТФ. Всего при окислении одной молекулы ацетил-кофермента А синтезируется 12 молекул АТФ.

Итоговое уравнение цикла Кребса

(III этапа ГДФ-пути ):

CH₃-C ~SKoA + 2 O₂ + 12 АДФ + 12 Н₃PO₄¾®